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DE102022108474B4 - Method and measuring camera for measuring a surface profile of an object - Google Patents

Method and measuring camera for measuring a surface profile of an object Download PDF

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DE102022108474B4
DE102022108474B4 DE102022108474.4A DE102022108474A DE102022108474B4 DE 102022108474 B4 DE102022108474 B4 DE 102022108474B4 DE 102022108474 A DE102022108474 A DE 102022108474A DE 102022108474 B4 DE102022108474 B4 DE 102022108474B4
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Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
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Abstract

Verfahren zur Messung eines Oberflächenprofils eines Objekts (26, 26'), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:a) Bereitstellen einer Messkamera (24), die einen Bildsensor (36) und ein zumindest objektseitig telezentrisches Objektiv (38) aufweist, wobei das Objektiv (38) eine Objektebene (O), ein erstes optisches Teilsystem (L1), ein zweites optisches Teilsystem (L2; L21, L22), eine zwischen dem ersten optischen Teilsystem (L1) und dem zweiten optischen Teilsystem (L2; L21, L22) angeordnete Pupillenebene (42) und eine Bildebene (B) hat, in welcher der Bildsensor (36) angeordnet ist;b) Aufnehmen eines ersten Bildes von dem Objekt (26, 26'), wobei nur Licht zu dem ersten Bild beiträgt, das einen ersten Bereich (A1) der Pupillenebene (42) ausleuchtet;c) Aufnehmen eines zweiten Bildes von dem Objekt (26, 26') bei gleicher relativer Anordnung zwischen dem Objekt (26, 26') und der Messkamera (24), wobei nur Licht zu dem zweiten Bild beiträgt, das einen zweiten Bereich (A2) der Pupillenebene (42) ausleuchtet, der sich von dem ersten Bereich (A1) unterscheidet, und wobei mindestens einer der beiden Bereiche (A1, A2) nicht punktsymmetrisch bezüglich einer optischen Achse (52) des Objektivs (38) ist;d) Berechnen des Oberflächenprofils des Objekts (26, 26') bezüglich der optischen Achse (52) des Objektivs (38) aus einem lateralen Versatz zwischen Strukturen (S1, S2, S3) auf dem ersten Bild und entsprechenden Strukturen (S1, S2, S3) auf dem zweiten Bild,dadurch gekennzeichnet, dassdas zweite optische Teilsystem zwei optische Elemente (L21, L22) aufweist, die in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse (52) des Objektivs (38) nebeneinander angeordnet sind und den Strahlengang in zwei voneinander getrennte Teilstrahlengänge unterteilen, und dass die Schritte b) und c) gleichzeitig durchgeführt werden.Method for measuring a surface profile of an object (26, 26'), the method comprising the following steps: a) providing a measuring camera (24) which has an image sensor (36) and a lens (38) which is telecentric at least on the object side, wherein the Lens (38) an object plane (O), a first optical subsystem (L1), a second optical subsystem (L2; L21, L22), one between the first optical subsystem (L1) and the second optical subsystem (L2; L21, L22 ) arranged pupil plane (42) and an image plane (B) in which the image sensor (36) is arranged; b) recording a first image of the object (26, 26 '), with only light contributing to the first image illuminating a first area (A1) of the pupil plane (42);c) recording a second image of the object (26, 26') with the same relative arrangement between the object (26, 26') and the measuring camera (24), whereby only Light contributes to the second image, illuminating a second area (A2) of the pupil plane (42), which differs from the first area (A1), and wherein at least one of the two areas (A1, A2) is not point-symmetrical with respect to an optical axis (52) of the objective (38);d) calculating the surface profile of the object (26, 26') with respect to the optical axis (52) of the objective (38) from a lateral offset between structures (S1, S2, S3) on the first image and corresponding structures (S1, S2, S3) on the second image, characterized in that the second optical subsystem has two optical elements (L21, L22) which are in a direction perpendicular to the optical axis (52) of the objective (38 ) are arranged next to each other and divide the beam path into two separate partial beam paths, and that steps b) and c) are carried out simultaneously.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messkamera zur Messung eines Oberflächenprofils eines Werkstücks oder eines anderen Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 6. Ein solches Verfahren und eine solche Messkamera sind aus der DE 10 2017 115 021 A1 bekannt. Unter einem Oberflächenprofil wird die Menge aller z-Koordinaten von ausgewählten Punkten mit Koordinaten (x, y) auf einer der Messkamera zugewandten Oberfläche des Objekts verstanden, wobei die z-Richtung parallel zur optischen Achse der Messkamera verläuft.The invention relates to a method and a measuring camera for measuring a surface profile of a workpiece or another object according to the preamble of claim 1 or claim 6. Such a method and such a measuring camera are from DE 10 2017 115 021 A1 known. A surface profile is understood to be the set of all z coordinates of selected points with coordinates (x, y) on a surface of the object facing the measuring camera, with the z direction running parallel to the optical axis of the measuring camera.

2. Beschreibung des Standes der Technik2. Description of the prior art

Zur Messung der Geometrie von Werkstücken werden im Stand der Technik Koordinatenmessgeräte eingesetzt. Solche Messungen finden beispielsweise im Rahmen der Qualitätssicherung oder eines sogenannten „Reverse Engineering“ statt. Die teilweise komplexen Messaufgaben werden in aller Regel auf die Messung der räumlichen Koordinaten einer Anzahl von Einzelpunkten reduziert.In the prior art, coordinate measuring machines are used to measure the geometry of workpieces. Such measurements take place, for example, as part of quality assurance or so-called “reverse engineering”. The sometimes complex measurement tasks are usually reduced to measuring the spatial coordinates of a number of individual points.

Die Koordinatenmessgeräte enthalten einen Sensor, dessen Position relativ zu dem zu vermessenden Werkstück mit Hilfe von Antrieben veränderbar ist. Vor allem bei kleineren Koordinatenmessgeräten befindet sich das Werkstück auf einem Kreuztisch, der entlang zweier horizontaler Koordinatenachsen x, y mit hoher Genauigkeit verfahren werden kann. Der Sensor ist in der Regel an einer Pinole befestigt, die mit ähnlich hoher Genauigkeit vertikal (d.h. in z-Richtung) verfahren werden kann. Wenn besonders große oder schwere Werkstücke vermessen werden sollen, kommen in Portalbauweise ausgeführte Koordinatenmessgeräte zum Einsatz, bei denen das Werkstück ruht und nur der Sensor verfahren wird.The coordinate measuring machines contain a sensor whose position can be changed relative to the workpiece to be measured using drives. Especially with smaller coordinate measuring machines, the workpiece is located on a cross table that can be moved along two horizontal coordinate axes x, y with high accuracy. The sensor is usually attached to a quill, which can be moved vertically (i.e. in the z direction) with a similarly high level of accuracy. If particularly large or heavy workpieces are to be measured, portal-type coordinate measuring machines are used, in which the workpiece is stationary and only the sensor is moved.

Bei den Sensoren für Koordinatenmessgeräte unterscheidet man zwischen optischen und taktilen Sensoren. Während bei taktilen Sensoren die Information über die Lage eines Messpunkts durch Berühren des Messpunkts mit einem Antastelement erzeugt wird, wird bei optischen Sensoren die Information über die Lage des Messpunkts durch Licht übertragen.When it comes to sensors for coordinate measuring machines, a distinction is made between optical and tactile sensors. While with tactile sensors the information about the position of a measuring point is generated by touching the measuring point with a probing element, with optical sensors the information about the position of the measuring point is transmitted by light.

Bei einem Typ von optischen Sensoren werden die z-Koordinaten der Werkstückoberfläche mit Hilfe des Autofokusverfahrens bestimmt. Der Sensor weist hierzu eine Messkamera mit einem Objektiv und einem Bildsensor auf. Wird die Pinole mit dem daran befestigten Sensor vertikal entlang der optischen Achse des Objektivs verfahren, wird nur in einer z-Position der Messkamera eine scharfe Abbildung derjenigen Bereiche der Oberfläche des Werkstücks erzeugt, die sich auf der gleichen Höhe befinden. Außerhalb dieser Position ist der Bildsensor defokussiert, so dass diese Oberflächenbereiche auf den aufgenommenen Bildern unscharf wiedergegeben sind.In one type of optical sensor, the z coordinates of the workpiece surface are determined using the autofocus method. For this purpose, the sensor has a measuring camera with a lens and an image sensor. If the quill with the sensor attached to it is moved vertically along the optical axis of the lens, a sharp image of those areas of the surface of the workpiece that are at the same height is only generated in a z position of the measuring camera. Outside this position, the image sensor is defocused, so that these surface areas appear blurry in the captured images.

Als Kenngröße für den Schärfezustand der auf dem Bildsensor entstehenden Bilder wird in der optischen Koordinatenmesstechnik der Kontrast verwendet. Der Kontrast für einen bestimmten Punkt auf der Oberfläche des Werkstücks wird maximal, wenn sich der Punkt exakt in der Objektebene des Objektivs der Messkamera befindet. Da die Lage der Objektebene in einem Bezugssystem des Koordinatenmessgeräts mit hoher Genauigkeit bekannt ist, lässt sich der Abstand zu diesem Punkt und damit seine z-Koordinate auf diese Weise sehr genau messen. Je schneller der Kontrast abfällt, wenn der Punkt aus der Objektebene herauswandert, desto höher ist die Genauigkeit dieser Messung.In optical coordinate measuring technology, contrast is used as a parameter for the sharpness of the images created on the image sensor. The contrast for a specific point on the surface of the workpiece is maximum when the point is located exactly in the object plane of the measuring camera lens. Since the position of the object plane in a reference system of the coordinate measuring machine is known with high precision, the distance to this point and thus its z coordinate can be measured very precisely in this way. The faster the contrast drops when the point moves out of the object plane, the higher the accuracy of this measurement.

Um für ein bestimmtes Werkstück eine 3D-Koordinatenmessung nach dem Autofokusverfahren durchzuführen, muss somit eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Objektebene entlang der optischen Achse des Objektivs erzeugt werden. Hierzu kann entweder das Werkstück, die Messkamera oder beides in z-Richtung verfahren werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Lage der Objektebene durch Verschieben von einzelnen Linsen des Objektivs oder mit Hilfe eines optischen Elements mit variabler Brechkraft (z.B. einer Flüssiglinse) verändert werden. Die zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Relativbewegung aufgenommenen Bilder der Werkstückoberfläche werden gespeichert, um anschließend über die Kontrastbestimmung die 3D-Koordinaten der Werkstückoberfläche zu berechnen. Aus den Bildern, in denen bestimmte Bereiche der Werkstückoberfläche scharf wiedergegeben sind, können zusätzlich mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen Kanten und andere Konturen bestimmt und mit den gemessenen z-Koordinaten korreliert werden.In order to carry out a 3D coordinate measurement for a specific workpiece using the autofocus method, a relative movement must be generated between the workpiece and the object plane along the optical axis of the lens. For this purpose, either the workpiece, the measuring camera or both can be moved in the z direction. Alternatively or additionally, the position of the object plane can be changed by moving individual lenses of the objective or with the help of an optical element with variable refractive power (e.g. a liquid lens). The images of the workpiece surface taken at different times during the relative movement are saved in order to then calculate the 3D coordinates of the workpiece surface using the contrast determination. From the images in which certain areas of the workpiece surface are sharply reproduced, edges and other contours can also be determined using image processing algorithms and correlated with the measured z coordinates.

Koordinatenmessgeräte, die nach dem vorstehend erläuterten Prinzip des Autofokusverfahrens die z-Koordinaten berechnen, werden von der Anmelderin unter der Marke ZEISS O-INSPECT vertrieben und sind beispielsweise in der DE 10 2016 202 928 A1 beschrieben.Coordinate measuring machines that calculate the z coordinates according to the principle of the autofocus method explained above are sold by the applicant under the trademark ZEISS O-INSPECT and are available, for example, in DE 10 2016 202 928 A1 described.

Messkameras in derartigen optischen Sensoren sind üblicherweise zumindest objektseitig telezentrisch. Strahlenbündel, die von Punkten in der Objektebene ausgehen und von der Apertur der Messkamera aufgenommen werden, verlaufen somit parallel zur optischen Achse. Vorteilhaft sind objektseitig telezentrische Objektive in Messkameras vor allem deswegen, weil dadurch der Vergrößerungsmaßstab nicht von der Entfernung des Objekts abhängt. Ein Objekt, das sich außerhalb der Objektebene befindet, wird zwar unscharf auf die Bildebene abgebildet, aber das resultierende unscharfe Bild hat trotzdem dieselbe Größe wie das scharfe Bild, das man erhält, wenn sich das Objekt in der Objektebene befindet.Measuring cameras in such optical sensors are usually telecentric at least on the object side. Bundles of rays that emanate from points in the object plane and from the aperture of the The measuring camera recorded runs parallel to the optical axis. Telecentric lenses on the object side in measurement cameras are particularly advantageous because the magnification scale does not depend on the distance of the object. An object that is outside the object plane will be blurred onto the image plane, but the resulting blurred image will still be the same size as the sharp image obtained if the object is in the object plane.

Da der Abstand zwischen dem Bildsensor und der Optik der Messkamera fixiert ist, könnte auf eine bildseitige Telezentrie grundsätzlich verzichtet werden. Trotzdem sind Messkameras in der Regel beidseitig telezentrisch, um sicherzustellen, dass Driftbewegungen des Bildsensors infolge von Temperaturschwankungen oder Alterungserscheinungen nicht zu Messfehlern führen.Since the distance between the image sensor and the optics of the measuring camera is fixed, telecentricity on the image side could basically be dispensed with. Nevertheless, measurement cameras are usually telecentric on both sides to ensure that drift movements of the image sensor as a result of temperature fluctuations or aging do not lead to measurement errors.

Aus einem Aufsatz KIM, Jun-Sik ; KANADE, Takeo: Multiaperture telecentric lens for 3D reconstruction. In: Optics Letters, Vol. 36, 2011, No. 7, S. 1050-1052. - ISSN 0146-9592 (P); 1539-4794 (E). DOI: 10.1364/OL.36.001050. sind beidseitig telezentrische Objektive für Messkameras bekannt, bei denen in der Pupillenebene, die häufig auch als Apertur- oder Blendenebene bezeichnet wird, zusätzlich zu einer ersten Blendenöffnung auf der optischen Achse eine zweite außeraxiale Blendenöffnung vorgesehen ist. Auf diese Weise lassen sich Abstandsinformationen zwischen der Messkamera und dem Objekt bestimmen.From an essay KIM, Jun-Sik ; KANADE, Takeo: Multiaperture telecentric lens for 3D reconstruction. In: Optics Letters, Vol. 36, 2011, No. 7, pp. 1050-1052. - ISSN 0146-9592 (P); 1539-4794 (E). DOI: 10.1364/OL.36.001050. Double-sided telecentric lenses for measuring cameras are known, in which a second off-axis aperture opening is provided in the pupil plane, which is often also referred to as the aperture or aperture plane, in addition to a first aperture opening on the optical axis. In this way, distance information between the measuring camera and the object can be determined.

Die Möglichkeit, unterschiedliche Blenden in der Pupillenebene anordnen zu können und damit eine variable Pupillenfilterung zu erzielen, wird auch in anderen Messkameras gelegentlich genutzt. Die unterschiedlichen Blendenelemente sind dabei meist in einer automatischen Austauscheinheit aufgenommen, die z.B. als Revolverhalterung ausgeführt sein kann. Allerdings sind die Austauscheinheiten mechanisch aufwendig, benötigen viel Bauraum und ermöglichen keinen schnellen Wechsel der Lichtverteilung in der Pupillenebene.The possibility of arranging different apertures in the pupil plane and thus achieving variable pupil filtering is also occasionally used in other measurement cameras. The different aperture elements are usually accommodated in an automatic exchange unit, which can be designed, for example, as a turret holder. However, the replacement units are mechanically complex, require a lot of installation space and do not enable a quick change in the light distribution in the pupil plane.

Aus der US 2008/0239316 A1 ist eine Messkamera bekannt, die zum Zwecke der Pupillenfilterung ein LCD-Panel verwendet, das in der Pupillenebene angeordnet ist. Solche Panels benötigen nur wenig Bauraum und verfügen über eine Schaltgeschwindigkeit, die meist unter 5 µs liegt. LCD-Panels polarisieren das auftreffende Licht jedoch. Dies ist für bestimmte Anwendungen nachteilig und geht außerdem mit Intensitätsverlusten einher, die auf dem Bildsensor zu einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis und damit zu ungenaueren Messergebnissen führen können.From the US 2008/0239316 A1 A measuring camera is known which uses an LCD panel arranged in the pupil plane for the purpose of pupil filtering. Such panels require very little installation space and have a switching speed that is usually less than 5 µs. However, LCD panels polarize the incident light. This is disadvantageous for certain applications and is also accompanied by intensity losses, which can lead to a lower signal-to-noise ratio on the image sensor and thus to less accurate measurement results.

Aus einem Aufsatz SHEPARD, R. Hamilton [u.a.]: Optical design and characterization of an advanced computational imaging system. In: Optics and Photonics for Information Processing VIII : 18-20 August 2014, San Diego, California, United States. Bellingham, Wash. : SPIE, 2014 (Proceedings of SPIE ; 9216). Artikelnummer: 92160A (S.1-15). - ISBN 978-1-62841-243-7. DOI: 10.1117/12.2060725. ist ein Prüfstand mit einem gleichzeitig pupillen- und zeitcodierten Imager bekannt, der ein DMD (Digital Mirror Device) zum Zwecke der Pupillenapodisierung oder einen deformierbaren Spiegel für Wellenfrontcodierungsexperimente verwendet.From an article SHEPARD, R. Hamilton [et al.]: Optical design and characterization of an advanced computational imaging system. In: Optics and Photonics for Information Processing VIII: 18-20 August 2014, San Diego, California, United States. Bellingham, Wash. : SPIE, 2014 (Proceedings of SPIE ; 9216). Item number: 92160A (p.1-15). - ISBN 978-1-62841-243-7. DOI: 10.1117/12.2060725. a test stand with a simultaneously pupil- and time-coded imager is known, which uses a DMD (Digital Mirror Device) for the purpose of pupil apodization or a deformable mirror for wavefront coding experiments.

Die Druckschriften US 2012/0154571 A1 , DE 10 2021 118 327 A1 (nachveröffentlicht) und DE 10 2021 118 429 A1 (ebenfalls nachveröffentlicht) offenbaren optische Systeme, die ein schaltbares Filterelement in der Pupillenebene aufweisen.The printed matter US 2012/0154571 A1 , DE 10 2021 118 327 A1 (post-published) and DE 10 2021 118 429 A1 (also subsequently published) disclose optical systems that have a switchable filter element in the pupil plane.

Aus der JP S58-194007 A und der US 2002/ 0060793 A1 sind Vorrichtungen zur Entfernungsbestimmung bekannt, bei denen verstellbare Einrichtungen in der Pupillenebene genutzt werden.From the JP S58-194007 A and the US 2002/0060793 A1 Devices for determining distances are known in which adjustable devices in the pupil plane are used.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Messkamera anzugeben, mit denen sich ein Oberflächenprofil eines Objekts sehr schnell optisch messen lässt.The object of the invention is to provide a method and a measuring camera with which a surface profile of an object can be optically measured very quickly.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.With regard to the method, this task is solved by a method according to claim 1.

Hinter diesem Vorgehen steht die Überlegung, dass ein nicht punktsymmetrisches Beschneiden des Strahlengangs in der Pupillenebene dazu führt, dass das Bild eines defokussiert angeordneten Gegenstands in der Bildebene der Messkamera wandert. Nimmt man also zwei Bilder auf, wobei mindestens einer der beiden (nicht notwendigerweise zusammenhängenden) ausgeleuchteten Bereiche in der Pupillenebene nicht punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse des Objektivs ausgeleuchtet ist, so lässt sich aus dem lateralen Versatz der beiden Bilder auf die Defokussierung und damit auf die z-Position der betreffenden Punkte auf der Oberfläche des Objekts schließen. Da auch die lateralen Koordinaten der Kanten berechnet werden können, lässt sich das gesamte Oberflächenprofil des Gegenstands aus nur zwei Bildern ableiten.The idea behind this procedure is that a non-point-symmetrical trimming of the beam path in the pupil plane leads to the image of a defocused object moving in the image plane of the measuring camera. So if you take two images, with at least one of the two (not necessarily contiguous) illuminated areas in the pupil plane not being illuminated point-symmetrically with respect to the optical axis of the lens, the defocusing and thus the defocusing can be determined from the lateral offset of the two images Close z position of the relevant points on the surface of the object. Since the lateral coordinates of the edges can also be calculated, the entire surface profile of the object can be derived from just two images.

Beim Aufnehmen der beiden Bilder bleibt die relative Anordnung zwischen dem Objekt und der Messkamera gleich, und auch die Lage der Objektebene wird nicht durch Verfahrvorgänge innerhalb der Messkamera verändert. Dadurch kann das Oberflächenprofil erfindungsgemäß besonders schnell gemessen werden.When taking the two images, the relative arrangement between the object and the measuring camera remains the same, and the position of the object plane is not changed by movements within the measuring camera. This allows the Ober According to the invention, surface profile can be measured particularly quickly.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat Gemeinsamkeiten mit dem Phasenvergleichsverfahren, das in hochwertigen Fotokameras zum Autofokussieren (AF) verwendet wird. Dort werden von paarweise angeordneten und einander diametral gegenüberliegenden AF-Sensoren Bilder des Objekts aufgenommen und aus einem lateralen Versatz der Bilder die Defokussierung berechnet. Allerdings erfassen die AF-Sensoren nur sehr kleine Ausschnitte derjenigen Bilder, die anschließend vom Hauptbildsensor aufgenommen werden. Mit solchen Fotokameras lässt sich daher kein Oberflächenprofil messen.The method according to the invention has similarities with the phase comparison method that is used in high-quality photo cameras for autofocusing (AF). There, images of the object are recorded by AF sensors arranged in pairs and diametrically opposed to each other and the defocusing is calculated from a lateral offset of the images. However, the AF sensors only capture very small sections of the images that are then captured by the main image sensor. It is therefore not possible to measure a surface profile with such photo cameras.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen ist es möglich, auch für große Oberflächen das Oberflächenprofil zu messen. Dass dies möglich ist, hängt damit zusammen, dass bei der erfindungsgemäßen Messkamera die Pupillenebene zwischen den beiden optischen Teilsystemen angeordnet und damit gut zugänglich ist. Dadurch kann der Lichtweg direkt in der Pupillenebene oder in deren Nähe aufgeteilt werden, ohne Abstriche bei der Größe der beiden aufgenommenen Bilder machen zu müssen. Bei Fotokameras hingegen bietet die Pupillenebene wenig Bauraum und ist nicht gut zugänglich. Außerdem kann die Blende nicht so eingestellt werden, dass mindestens einer der beiden Bereiche in der Pupillenebene nicht punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse des Objektivs ist. Eine vergleichbare Wirkung lässt sich bei Fotokameras nur dadurch erreichen, dass man den von den AF-Sensoren erfassten Bildausschnitt entsprechend klein wählt.With the method according to the invention, however, it is possible to measure the surface profile even for large surfaces. The fact that this is possible is due to the fact that in the measuring camera according to the invention the pupil plane is arranged between the two optical subsystems and is therefore easily accessible. This allows the light path to be divided directly in or near the pupil plane without having to compromise on the size of the two captured images. In photo cameras, on the other hand, the pupil plane offers little space and is not easily accessible. In addition, the aperture cannot be adjusted so that at least one of the two areas in the pupil plane is not point-symmetrical with respect to the optical axis of the lens. A comparable effect can only be achieved with photo cameras by making the image section captured by the AF sensors appropriately small.

Bei Bedarf kann in Kenntnis der Defokussierung durch Verändern des Objektivs und/oder des Abstandes zwischen der Messkamera und dem Objekt der Gegenstand in die Objektebene des Objekts verfahren werden, um anschließend ein scharfes Bild zu erhalten, auf dessen Grundlage die x- und y-Koordinaten bestimmt werden können. Das Verfahren kann dazu die folgenden weiteren Schritte umfassen:

  1. e) Bestimmen eines Steuersignals für einen Verstellvorgang auf der Grundlage des in Schritt d) berechneten Oberflächenprofils, wobei durch den Verstellvorgang der Abstand zwischen dem Objekt und der Objektebene so verändert wird, dass sich eine ausgewählte Ebene des Objekts in der Objektebene befindet;
  2. f) Aufnehmen eines Messbildes mit Hilfe des Bildsensors, wobei zur Entstehung des Messbildes Licht beiträgt, das einen Bereich der Pupillenebene ausleuchtet, der größer ist als der erste Bereich und der zweite Bereich.
If necessary, knowing the defocusing by changing the lens and/or the distance between the measuring camera and the object, the object can be moved into the object plane of the object in order to then obtain a sharp image, on the basis of which the x and y coordinates can be determined. The procedure can include the following additional steps:
  1. e) determining a control signal for an adjustment process based on the surface profile calculated in step d), the adjustment process changing the distance between the object and the object plane so that a selected plane of the object is in the object plane;
  2. f) Recording a measurement image with the aid of the image sensor, with light contributing to the creation of the measurement image, which illuminates an area of the pupil plane that is larger than the first area and the second area.

In den Teilen des so aufgenommenen Messbildes, die fokussiert abgebildet sind, können die lateralen Abmessungen besonders genau von Bildverarbeitungsalgorithmen erkannt werden. Zur erhöhten Auflösung trägt dabei die große Blendenöffnung bei, mit der das Messbild aufgenommen wurde.In the parts of the measurement image recorded in this way that are imaged in focus, the lateral dimensions can be recognized particularly precisely by image processing algorithms. The large aperture with which the measurement image was recorded contributes to the increased resolution.

Für die Messung der z-Koordinaten würde es genügen, wenn bei der Aufnahme eines Bildes die Pupillenebene punktsymmetrisch (insbesondere als Sonderfall rotationssymmetrisch) ausgeleuchtet wird und nur bei der Aufnahme des anderen Bildes ein nicht punktsymmetrischer Bereich ausgeleuchtet wird. Die Aufnahme mit der punktsymmetrischen Ausleuchtung würde dann den erforderlichen Bezugspunkt für die Versatzmessung liefern.For the measurement of the z coordinates, it would be sufficient if the pupil plane was illuminated point-symmetrically (in particular, rotationally symmetrically in a special case) when taking an image and if a non-point-symmetrical area was illuminated only when taking the other image. The recording with the point-symmetrical illumination would then provide the required reference point for the offset measurement.

Eine höhere Messgenauigkeit lässt sich jedoch erzielen, wenn keiner der beiden ausgeleuchteten Bereiche punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse ist, einer der beiden Bereiche aber bezüglich der optischen Achse punktsymmetrisch zum jeweils anderen der beiden Bereiche ist. Auf diese Weise sind die Bilder in entgegengesetzte Richtungen um den gleichen Betrag versetzt. Somit addieren sich zwei betragsmäßig identische, aber entgegengesetzte Versatzdistanzen, was zu einem doppelt so großen Übersetzungsverhältnis zwischen Lateralversatz und Fokusversatz führt.However, a higher measurement accuracy can be achieved if neither of the two illuminated areas is point-symmetrical with respect to the optical axis, but one of the two areas is point-symmetrical to the other of the two areas with respect to the optical axis. This way the images are offset by the same amount in opposite directions. This means that two identical but opposite offset distances add up, resulting in a gear ratio between lateral offset and focus offset that is twice as large.

Erfindungsgemäß weist das zweite optische Teilsystem zwei optische Elemente auf, die in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse des Objektivs nebeneinander angeordnet sind und den Strahlengang in zwei voneinander getrennte Teilstrahlengänge unterteilen. Die Schritte b) und c) können dann gleichzeitig durchgeführt werden.According to the invention, the second optical subsystem has two optical elements which are arranged next to one another in a direction perpendicular to the optical axis of the objective and divide the beam path into two separate beam paths. Steps b) and c) can then be carried out simultaneously.

Die zwei optischen Elemente, die vorzugsweise eine Sammelwirkung haben und z.B. als einfache Linsen ausgebildet sein können, trennen den Strahlengang so auf, dass die beiden Bilder auf dem Bildsensor gleichzeitig und nebeneinander entstehen. Dadurch wird die Messzeit weiter verkürzt, da beide Bilder gleichzeitig aufgenommen werden können. Die Bilder haben zwar den gleichen großen Bildausschnitt, sind aber im Vergleich zu einer Variante mit einem variablen Pupillenfilter kleiner, was zu einer gewissen Einbuße bei der Bildqualität und damit auch der Messgenauigkeit führt.The two optical elements, which preferably have a collecting effect and can be designed, for example, as simple lenses, separate the beam path so that the two images are created on the image sensor simultaneously and next to each other. This further shortens the measurement time because both images can be taken at the same time. Although the images have the same large image section, they are smaller compared to a variant with a variable pupil filter, which leads to a certain loss in image quality and thus also in measurement accuracy.

Vor allem mit Blick auf die Richtungsunabhängigkeit kann es dabei vorteilhaft sein, wenn das erste optische Teilsystem nicht nur zwei, sondern drei oder insbesondere vier optische Elemente aufweist, die z.B. an den Ecken eines regelmäßigen Dreiecks bzw. eines Quadrats angeordnet sind.Especially with regard to the independence of direction, it can be advantageous if the first optical subsystem has not just two, but three or in particular four optical elements, which are arranged, for example, at the corners of a regular triangle or a square.

In einer Weiterbildung weist die Messkamera einen weiteren Bildsensor und einen Strahlteiler auf, der zwischen dem ersten optischen Teilsystem und dem zweiten optischen Teilsystem angeordnet ist. Der Strahlteiler teilt den Strahlengang in einen zum Bildsensor führenden ersten Strahlengang und einen zum weiteren Bildsensor führenden zweiten Strahlengang auf. Mit Hilfe des weiteren Bildsensors Weise lässt gleichzeitig ein zusätzliches großes Messbild aufnehmen, das z.B. zu einer genaueren Bestimmung der Lateralabmessungen der auf den Bildern erkennbaren Strukturen herangezogen werden kann.In a further development, the measuring camera has an additional image sensor and a beam splitter, which is arranged between the first optical subsystem and the second optical subsystem. The beam splitter divides the beam path into a first beam path leading to the image sensor and a second beam path leading to the further image sensor. With the help of the additional image sensor, an additional large measurement image can be recorded at the same time, which can be used, for example, to determine the lateral dimensions of the structures visible in the images more precisely.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die eingangs gestellte Aufgabe gelöst durch eine Messkamera gemäß Anspruch 6.With regard to the device, the task posed at the beginning is solved by a measuring camera according to claim 6.

Bevorzugt ist es, wenn das Objektiv außerdem bildseitig telezentrisch ist. Ein beidseitig telezentrisches Objektiv weist theoretisch keine Verzeichnung oder andere geometrische Abbildungsfehler auf.It is preferred if the lens is also telecentric on the image side. A lens that is telecentric on both sides theoretically has no distortion or other geometric aberrations.

Bezüglich der vorteilhaften Ausgestaltungen wird im Übrigen auf die Ausführungen zum Verfahren verwiesen.With regard to the advantageous configurations, reference is also made to the comments on the method.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

  • 1: eine perspektivische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts mit einer erfindungsgemäßen Messkamera;
  • 2: einen meridionalen Schnitt durch die in der 1 gezeigte Messkamera gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Variante, bei der in einer Pupillenebene ein LCD-Panel als variabel einstellbares Pupillenfilter angeordnet ist;
  • 3a und 3b: einen Strahlengang in der Messkamera für zwei unterschiedliche Objektweiten;
  • 4a und 4b: den 3a und 3b entsprechende Darstellungen für den Strahlengang bei zwei hintereinander mit der Messkamera aufgenommenen Bildern;
  • 5a bis 5c: Blendenöffnungen bei den mit der Messkamera aufgenommenen Bildern;
  • 6a und 6b: ein beispielhaftes Objekt in einer Draufsicht bzw. einer Seitenansicht;
  • 7a und 7b: zwei von der Messkamera mit unterschiedlichen Blendeneinstellungen aufgenommene Bilder;
  • 8a und 8b: den 4a und 4b entsprechende Darstellungen, bei denen anderen Blendeneinstellungen vorgenommen wurden;
  • 9a bis 9c: Blendenöffnungen für mit der Messkamera aufgenommene Bildern gemäß den in den 8a und 8b gezeigten Blendeneinstellungen;
  • 10: einen der 2 entsprechenden meridionalen Schnitt durch eine nicht erfidungsgemäße Messkamera gemäß einer zweiten Variante, bei der das variable Pupillenfilter als digitales Mikrospiegelarray ausgebildet ist;
  • 11: einen den 3a und 3b entsprechenden meridionalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Messkamera;
  • 12: die Blendenausleuchtung bei der in der 11 gezeigten Messkamera;
  • 13: eine Variante der in der 11 gezeigten Messkamera mit einem Strahlteiler und einem zusätzlichen Bildsensor zur gleichzeitigen Aufnahme eines Messbildes.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. Show in these:
  • 1 : a perspective view of a coordinate measuring machine with a measuring camera according to the invention;
  • 2 : a meridional section through the in the 1 measuring camera shown according to a variant not according to the invention, in which an LCD panel is arranged as a variably adjustable pupil filter in a pupil plane;
  • 3a and 3b : a beam path in the measuring camera for two different object widths;
  • 4a and 4b : the 3a and 3b Corresponding representations of the beam path for two images taken one after the other with the measuring camera;
  • 5a to 5c : Aperture openings in the images taken with the measuring camera;
  • 6a and 6b : an exemplary object in a top view or a side view;
  • 7a and 7b : two images captured by the measurement camera with different aperture settings;
  • 8a and 8b : the 4a and 4b corresponding representations in which different aperture settings were made;
  • 9a to 9c : Aperture openings for images taken with the metering camera according to the values specified in the 8a and 8b aperture settings shown;
  • 10 : one of the 2 corresponding meridional section through a measuring camera not according to the invention according to a second variant, in which the variable pupil filter is designed as a digital micromirror array;
  • 11 : one the 3a and 3b corresponding meridional section through a measuring camera according to the invention;
  • 12 : the aperture illumination at the in the 11 measuring camera shown;
  • 13 : a variant of the one in the 11 Measuring camera shown with a beam splitter and an additional image sensor for simultaneously recording a measurement image.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

1. Aufbau eines Koordinatenmessgeräts1. Construction of a coordinate measuring machine

Die 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Koordinatenmessgerät. Das Koordinatenmessgerät 10 umfasst eine Basis 12, die einen Tisch 14 trägt, an dem ein Steuerpult 16 befestigt ist. Vom Tisch 14 ausgehend erstreckt sich nach oben ein Ständer 18, der eine Pinole 20 trägt. Wie durch einen Doppelpfeil 22 angedeutet ist, ist die Pinole 20 mit Hilfe eines nicht dargestellten Antriebs in vertikaler Richtung (z-Richtung) präzise verfahrbar.The 1 shows a perspective view of a coordinate measuring machine designated 10. The coordinate measuring machine 10 includes a base 12 which carries a table 14 to which a control panel 16 is attached. Starting from the table 14, a stand 18, which carries a quill 20, extends upwards. As indicated by a double arrow 22, the quill 20 can be moved precisely in the vertical direction (z direction) with the aid of a drive, not shown.

An der Unterseite der Pinole 20 ist eine Messkamera 24 befestigt, mit der ein Bild von einem Werkstück 26 aufgenommen werden kann. Das Werkstück 26 ist auf einem Kreuztisch 28 befestigt, mit dem das Werkstück 26 in der horizontalen Ebene (x-Richtung und y-Richtung) präzise verfahren werden kann, wie dies in der 1 durch Pfeile 30 bzw. 32 angedeutet ist. Auf diese Weise ist es möglich, auch größere Werkstücke 26 sukzessive mit Hilfe der Messkamera 24 zu vermessen, indem das Werkstück 26 mit Hilfe des Kreuztisches 28 nach und nach in das Messfeld der Messkamera 24 eingeführt wird.A measuring camera 24 is attached to the underside of the quill 20, with which an image of a workpiece 26 can be recorded. The workpiece 26 is mounted on a cross table 28, with which the workpiece 26 can be moved precisely in the horizontal plane (x-direction and y-direction), as in the 1 is indicated by arrows 30 and 32, respectively. In this way, it is possible to successively measure even larger workpieces 26 using the measuring camera 24 by gradually introducing the workpiece 26 into the measuring field of the measuring camera 24 using the cross table 28.

Falls noch größere oder besonders schwere Werkstücke 26 vermessen werden sollen, kann das Koordinatenmessgerät 10 auch einen anderen mechanischen Aufbau haben und beispielsweise anstelle des Kreuztisches 28 ein bewegbares Portal aufweisen, an dem die Pinole 20 befestigt ist. Auf diese Weise lässt sich die Pinole 20 nicht nur entlang der z-Richtung, sondern auch entlang der x-Richtung und y-Richtung präzise verfahren, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Das Werkstück 26 muss dann während der Messung nicht bewegt werden.If even larger or particularly heavy workpieces 26 are to be measured, the coordinate measuring machine 10 can also have a different mechanical structure and, for example, instead of the cross table 28, have a movable portal to which the quill 20 is attached. In this way, the quill 20 can be moved precisely not only along the z-direction, but also along the x-direction and y-direction, as is the case in State of the art is known. The workpiece 26 then does not have to be moved during the measurement.

2. Aufbau der Messkamera2. Structure of the measuring camera

Die 2 zeigt in einem vereinfachten meridionalen Schnitt den Aufbau der Messkamera 24 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Messkamera 24 hat einen zweidimensionalen und in einer Bildebene B angeordneten Bildsensor 36, bei dem es sich um einen herkömmlichen CCD-Sensor oder CMOS-Sensor handeln kann. Zur Messkamera 24 gehört ferner ein Objektiv 38, das ein erstes optisches Teilsystem L1 und ein zweites optisches Teilsystem L2 aufweist, Die beiden optischen Teilsysteme sind in der 2 als einzelne Linsen angedeutet, können aber jeweils auch mehrere Linsen oder andere optische Elemente umfassen.The 2 shows a simplified meridional section of the structure of the measuring camera 24 according to a first exemplary embodiment. The measuring camera 24 has a two-dimensional image sensor 36 arranged in an image plane B, which can be a conventional CCD sensor or CMOS sensor. The measuring camera 24 also includes a lens 38, which has a first optical subsystem L1 and a second optical subsystem L2. The two optical subsystems are in the 2 indicated as individual lenses, but can also include several lenses or other optical elements.

Das Objektiv 38 ist beidseitig telezentrisch, so dass die Hauptstrahlen H sowohl im Objektraum als auch im Bildraum parallel zur optischen Achse 52 des Objektivs 38 verlaufen. Dies wird im Ausführungsbeispiel dadurch bewirkt, dass die hintere Brennebene des ersten optischen Teilsystems L1 mit der vorderen Brennebene des zweiten optischen Teilsystems L2 zusammenfällt. In der 2 sind die Brennweiten der beiden optischen Teilsysteme L1 und L2 mit f1 bzw. f2 bezeichnet. Falls die Brennweiten f1 und f2 identisch sind, hat das Objektiv 38 einen 4f-Aufbau und einen Vergrößerungsmaßstab von 1:1. Infolge der beidseitigen Telezentrie ist das Bild, das von einem Objekt 26 auf dem Bildsensor 36 in der Bildebene B entsteht, verzerrungsfrei. Strukturen außerhalb der Objektebene O werden zwar weniger scharf, aber mit gleichem Vergrößerungsmaßstab abgebildet.The lens 38 is telecentric on both sides, so that the main rays H run parallel to the optical axis 52 of the lens 38 both in the object space and in the image space. In the exemplary embodiment, this is caused by the rear focal plane of the first optical subsystem L1 coinciding with the front focal plane of the second optical subsystem L2. In the 2 the focal lengths of the two optical subsystems L1 and L2 are denoted by f 1 and f 2 , respectively. If the focal lengths f 1 and f 2 are identical, the lens 38 has a 4f construction and a magnification ratio of 1:1. As a result of the bilateral telecentricity, the image that is created by an object 26 on the image sensor 36 in the image plane B is distortion-free. Structures outside the object plane O are imaged less sharply, but with the same magnification.

Die Pupillenebene 42 des Objektivs 38 befindet sich in der hinteren Brennebene des ersten optischen Teilsystems L1, die wie bereits erwähnt mit der vorderen Brennebene des zweiten optischen Teilsystems L2 zusammenfällt. In der Pupillenebene 42 ist ein variabel einstellbares Pupillenfilter in Form eines LCD-Panels 44 angeordnet. Das LCD-Panel 44 umfasst hierzu eine Vielzahl von matrixartig angeordneten Flüssigkristallzellen 46, deren Transmissionsgrad individuell zwischen einem Minimalwert in der Nähe von 0% und einem Maximalwert in der Nähe von 100% verändert werden kann. Im in der 2 dargestellten Modus sind alle Flüssigkristallzellen 46 maximal lichtdurchlässig, so dass die numerische Apertur nur vom Rand 47 des LCD-Panels begrenzt wird.The pupil plane 42 of the lens 38 is located in the rear focal plane of the first optical subsystem L1, which, as already mentioned, coincides with the front focal plane of the second optical subsystem L2. A variably adjustable pupil filter in the form of an LCD panel 44 is arranged in the pupil plane 42. For this purpose, the LCD panel 44 comprises a large number of liquid crystal cells 46 arranged in a matrix, the transmittance of which can be changed individually between a minimum value near 0% and a maximum value near 100%. Im in the 2 In the mode shown, all liquid crystal cells 46 are maximally translucent, so that the numerical aperture is only limited by the edge 47 of the LCD panel.

In ein Gehäuse 48 der Messkamera 24 ist eine Beleuchtungseinrichtung 50 integriert, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere LEDs umfasst, die ringförmig um die optische Achse 52 des Objektivs 38 herum angeordnet sind. Die Beleuchtungseinrichtung 50 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie Licht mit verschiedenen Farben und/oder aus verstellbaren Richtungen auf die Oberfläche 40 des Werkstücks 26 richten kann. Ein Beispiel für eine geeignete Beleuchtungseinrichtung 50 ist in der WO 2013/167168 A1 der Anmelderin beschrieben. Zusätzlich zur Beleuchtung in Auflicht kann eine weitere Beleuchtungseinrichtung vorgesehen sein, mit der Messlicht über einen Einkoppelspiegel in den Strahlengang der Objektiv 38 eingekoppelt wird, um das Messfeld direkt von oben und annähernd achsparallel beleuchten zu können. Bei bestimmten Ausführungen ist auch eine Beleuchtung in Durchlicht möglich.A lighting device 50 is integrated into a housing 48 of the measuring camera 24, which in the exemplary embodiment shown comprises several LEDs which are arranged in a ring around the optical axis 52 of the lens 38. The lighting device 50 can, for example, be designed so that it can direct light with different colors and/or from adjustable directions onto the surface 40 of the workpiece 26. An example of a suitable lighting device 50 is in the WO 2013/167168 A1 described by the applicant. In addition to the illumination in reflected light, a further illumination device can be provided with which measuring light is coupled into the beam path of the lens 38 via a coupling mirror in order to be able to illuminate the measuring field directly from above and approximately parallel to the axis. In certain versions, illumination in transmitted light is also possible.

Mit 53 ist in der 2 ein Antrieb angedeutet, mit dem sich die Pinole 20 mit der daran befestigten Messkamera 24 entlang der z-Richtung vertikal verfahren lässt, wie dies durch den Doppelpfeil 22 angedeutet ist. Da die Pinole 20 in der 2 nicht dargestellt ist, ist der Antrieb 53 so dargestellt, als greife er direkt an der Messkamera 24 an. In Wirklichkeit wirkt der Antrieb 53 jedoch auf die Pinole 20.At 53 is in the 2 a drive is indicated, with which the quill 20 with the measuring camera 24 attached to it can be moved vertically along the z-direction, as indicated by the double arrow 22. Since the quill 20 in the 2 is not shown, the drive 53 is shown as if it were acting directly on the measuring camera 24. In reality, however, the drive 53 acts on the quill 20.

Der Bildsensor 36, das LCD-Panel 44, die Beleuchtungseinrichtung 50, der Antrieb 53 und der Kreuztisch 28 sind mit einer Recheneinheit 54 verbunden, die einen Speicher 55 enthält, den Messablauf in noch näher zu erläuternder Weise steuert und die vom Bildsensor 36 aufgenommenen Bilder verarbeitet.The image sensor 36, the LCD panel 44, the lighting device 50, the drive 53 and the cross table 28 are connected to a computing unit 54, which contains a memory 55, controls the measurement process in a manner to be explained in more detail and the images recorded by the image sensor 36 processed.

3. Funktion3. Function

Zur Erläuterung der Funktion der Messkamera 24 wird zunächst auf die 3a und 3b Bezug genommen. Diese Figuren zeigen die wesentlichen optischen Elemente der Messkamera 24 für den Fall, dass nur eine außeraxiale Flüssigkristallzelle des LCD-Panels 44 lichtdurchlässig ist und alle anderen Flüssigkristallzellen 46 einen Transmissionsgrad von nahezu 0 % haben. Diese transparente Flüssigkristallzelle definiert einen Bereich A1, durch den Messlicht hindurchtreten kann und der somit eine Blendenöffnung darstellt.To explain the function of the measuring camera 24, first refer to the 3a and 3b Referenced. These figures show the essential optical elements of the measuring camera 24 in the event that only one off-axis liquid crystal cell of the LCD panel 44 is translucent and all other liquid crystal cells 46 have a transmittance of almost 0%. This transparent liquid crystal cell defines an area A1 through which measuring light can pass and which therefore represents an aperture.

Befindet sich die Oberfläche des mit durchgezogenen Linien angedeuteten Objekts 26 in der Objektebene O, so ist das auf dem Bildsensor 36 entstehende Bild der Oberfläche bezüglich der optischen Achse 52 zentriert, wie dies in der 3a mit durchgezogenen Linien angedeutet ist. Für den Fall eines außerhalb der Objektebene O angeordneten Objekts 26' durchsetzen die Lichtstrahlen den Bereich A1 nicht parallel zur optischen Achse 52, sondern geneigt dazu. Dadurch kommt es zu einem lateralen Versatz des Bildes um die Distanz d1, wie dies in der 3a durch den gestrichelt angedeuteten Strahlenverlauf angedeutet ist. Ein Vergleich der 3a und 3b zeigt ferner, dass der laterale Versatz umso größer wird (d.h. d2 > d1), je weiter das Objekt 26' von der Objektebene O entfernt ist (Δz2 > Δz1).If the surface of the object 26 indicated by solid lines is in the object plane O, the image of the surface created on the image sensor 36 is centered with respect to the optical axis 52, as shown in FIG 3a is indicated with solid lines. In the case of an object 26' arranged outside the object plane O, the light rays do not pass through the area A1 parallel to the optical axis 52, but rather inclined to it. This results in a lateral offset of the image by the distance d 1 , as shown in the 3a is indicated by the beam path indicated by dashed lines. A comparison of the 3a and 3b further shows that the further away the object 26' is from the object plane O (Δz 2 > Δz 1 ), the larger the lateral offset becomes (ie d 2 > d 1 ).

Bei dem in den 3a und 3b gezeigten Fall ist die Objektweite des Objekts 26' größer als die Brennweite f1 des ersten optischen Teilsystems L1, in der sich die Objektebene O befindet. Ist die Objektweite hingegen kleiner als die Brennweite f1, so entsteht das Bild mit einem lateralen Versatz in der entgegengesetzten Richtung. Die Richtung, in welcher der Versatz stattfindet, wird außerdem durch den Ort des transparenten Bereichs A1 (Blendenöffnung) festgelegt, der im dargestellten Ausführungsbeispiel durch das LCD-Panel 44 festgelegt wird. Die Richtung des lateralen Versatzes d der Bilder auf dem Bildsensor 36 liegt in einer Ebene, die von dem Bereich A1 (Blendenöffnung) und der optischen Achse 52 aufgespannt wird.With the one in the 3a and 3b In the case shown, the object distance of the object 26' is greater than the focal length f 1 of the first optical subsystem L1, in which the object plane O is located. However, if the object distance is smaller than the focal length f 1 , the image is created with a lateral offset in the opposite direction. The direction in which the offset takes place is also determined by the location of the transparent area A1 (aperture), which in the illustrated embodiment is determined by the LCD panel 44. The direction of the lateral offset d of the images on the image sensor 36 lies in a plane that is spanned by the area A1 (aperture) and the optical axis 52.

Es lässt sich zeigen, dass für kleine numerische Aperturen NA des Objektivs 38 ein linearer Zusammenhang zwischen dem lateralen Versatz d einerseits und dem axialen Abstand zwischen dem Objekt 26 und der Objektebene O andererseits besteht, der im Folgenden als Defokussierung Δz bezeichnet wird. Dieser Zusammenhang wird genutzt, um den axialen Abstand von Strukturen auf dem Objekt 26 zur bekannten Lage der Objektebene O zu messen.It can be shown that for small numerical apertures NA of the objective 38 there is a linear relationship between the lateral offset d on the one hand and the axial distance between the object 26 and the object plane O on the other hand, which is referred to below as defocusing Δz. This relationship is used to measure the axial distance of structures on the object 26 to the known position of the object plane O.

Die 4a und 4b illustrieren ein Ausführungsbeispiel für einen Messvorgang in an die 3a und 3b angelehnten Darstellungen.The 4a and 4b illustrate an exemplary embodiment of a measuring process in the 3a and 3b related representations.

In einem ersten Schritt wird ein erstes Bild von dem Objekt 26 aufgenommen, wobei nur Licht zu dem ersten Bild beiträgt, einen ersten außeraxialen Bereich A1 der Pupillenebene 42 ausleuchtet. Die Recheneinheit 54 steuert hierzu das LCD-Panel 44 so an, dass nur ein kleiner streifenförmiger außeraxialer Bereich A1 vom Messlicht durchtreten werden kann. Der Bereich A1 ist in der 5a gezeigt, der eine Draufsicht auf das LCD-Panel 44 zeigt. Alle Strukturen auf dem Objekt 26 mit der gleichen Defokussierung Δz sind auf dem aufgenommenen Bild um den Betrag d lateral versetzt. Strukturen mit einer anderen Defokussierung sind um einen entsprechenden anderen Betrag lateral versetzt.In a first step, a first image of the object 26 is recorded, with only light contributing to the first image, illuminating a first off-axis region A1 of the pupil plane 42. For this purpose, the computing unit 54 controls the LCD panel 44 in such a way that only a small strip-shaped off-axis area A1 can be penetrated by the measuring light. The area A1 is in the 5a shown, which shows a top view of the LCD panel 44. All structures on the object 26 with the same defocus Δz are laterally offset by the amount d in the recorded image. Structures with a different defocus are laterally offset by a correspondingly different amount.

In einem zweiten Schritt wird ein zweites Bild von dem Objekt 26 bei gleicher relativer Anordnung zwischen dem Objekt 26 und der Messkamera 24 aufgenommen. Zu dem zweiten Bild trägt nur Messlicht bei, das einen zweiten Bereich A2 in der Pupillenebene 42 ausleuchtet, der sich von dem ersten Bereich A1 unterscheidet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Bereich A2 punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse zum ersten Bereich A1 angeordnet, wie dies ein Vergleich der 5a und 5b zeigt.In a second step, a second image of the object 26 is recorded with the same relative arrangement between the object 26 and the measuring camera 24. Only measuring light that illuminates a second area A2 in the pupil plane 42, which differs from the first area A1, contributes to the second image. In the exemplary embodiment shown, the second area A2 is arranged point-symmetrically with respect to the optical axis to the first area A1, as is the case in a comparison 5a and 5b shows.

Alle Strukturen auf dem Objekt 26 mit der gleichen Defokussierung Δz sind auf dem zweiten Bild um den Betrag d lateral versetzt, aber nun in die entgegengesetzte Richtung, vgl. 4b. Ein Abgleich der beiden Bilder führt somit zu einem lateralen Abstand der auf den Bildern erkennbaren Strukturen gleicher Defokussierung um den Betrag 2d, aus dem sich der Wert für die Defokussierung Δz ergibt.All structures on the object 26 with the same defocus Δz are laterally offset by the amount d in the second image, but now in the opposite direction, cf. 4b . A comparison of the two images thus leads to a lateral distance of the structures visible in the images with the same defocusing by the amount 2d, from which the value for the defocusing Δz results.

Die 6a, 6b sowie 7a, 7b illustrieren diesen Zusammenhang anhand eines einfachen Beispiels. Die 6a und 6b zeigen in einer Draufsicht bzw. in einer Seitenansicht ein einfach aufgebautes Objekt 26. Das Objekt 26 sei aus drei quaderförmigen Riegeln R1, R2 und R3 zusammengesetzt, die unterschiedlich gestalteten Oberflächen S1, S2 bzw. S3 (vgl. 6a) und unterschiedliche Abmessungen in z- und x-Richtung haben.The 6a , 6b and 7a, 7b illustrate this connection using a simple example. The 6a and 6b show a simply constructed object 26 in a top view or in a side view. The object 26 is composed of three cuboid bars R1, R2 and R3, the differently designed surfaces S1, S2 and S3 (cf. 6a) and have different dimensions in the z and x directions.

Unterstellt wird nun, dass das Objekt 26 so der Messkamera 24 zugestellt wird, dass sich die Oberfläche S3 des Riegels R3 genau in der Objektebene O der Messkamera 24 befindet, wie dies in der 6b angedeutet ist. Die Oberfläche S1 des Riegels R1 ist dann näher an der Messkamera 24 und die Oberfläche S2 des Riegels R2 weiter weg von der Messkamera 24 angeordnet.It is now assumed that the object 26 is delivered to the measuring camera 24 in such a way that the surface S3 of the bar R3 is located exactly in the object plane O of the measuring camera 24, as in the 6b is indicated. The surface S1 of the bar R1 is then arranged closer to the measuring camera 24 and the surface S2 of the bar R2 further away from the measuring camera 24.

Die 7a und 7b zeigen die beiden Bilder des Objekts 26, wie sie mit der Messkamera 24 in der vorstehend beschriebenen Weise aufgenommen werden. Da die Oberfläche S3 sich in der Objektebene O befindet, erscheint sie ohne lateralen Versatz auf den beiden Bildern.The 7a and 7b show the two images of the object 26 as they are recorded with the measuring camera 24 in the manner described above. Since the surface S3 is located in the object plane O, it appears in the two images without any lateral offset.

Die Oberfläche S1 befindet sich näher an der Messkamera 24 und wird deswegen in dem einen Bild nach links und in dem anderen Bild nach rechts versetzt abgebildet, wie dies die 7a und 7b illustrieren. Bei der Oberfläche S2 des Riegels R2, der weiter weg von der Messkamera 24 angeordnet ist, sind die Bilder der Oberfläche S2 in entgegengesetzte Richtungen versetzt und zudem um einen kleineren Betrag, da der Abstand der Oberfläche S2 zur Objektebene O betragsmäßig kleiner ist als bei der Oberfläche S1.The surface S1 is located closer to the measuring camera 24 and is therefore shown offset to the left in one image and to the right in the other image, as shown 7a and 7b illustrate. In the case of the surface S2 of the bar R2, which is arranged further away from the measuring camera 24, the images of the surface S2 are offset in opposite directions and also by a smaller amount, since the distance between the surface S2 and the object plane O is smaller in magnitude than in the case of the surface S2 Surface S1.

Die Recheneinheit 54 kann aus den Bildern gemäß den 7a und 7b das Objekt 26 vollständig rekonstruieren und insbesondere die z-Koordinaten der Oberflächen S1, S2 und S3 aus dem jeweiligen Versatz ableiten, mit dem die Oberflächen S1, S2 und S3 auf den beiden Bildern erscheinen.The computing unit 54 can use the images according to 7a and 7b completely reconstruct the object 26 and in particular derive the z coordinates of the surfaces S1, S2 and S3 from the respective offset with which the surfaces S1, S2 and S3 appear on the two images.

Aus diesem Beispiel wird zudem deutlich, dass für die Bildverarbeitungsalgorithmen die Oberflächen S1, S2 und S3 in der Regel identifizierbar sein müssen. Insbesondere sollten Strukturen auf den Oberflächen S1, S2, S3 in einem Winkel zur Versatzrichtung verlaufen, da es ansonsten schwierig oder unmöglich sein kann, den Versatz der Abbilder der Strukturen auf den beiden aufgenommenen Bildern zu erkennen.This example also makes it clear that for the image processing algorithms the upper Areas S1, S2 and S3 must generally be identifiable. In particular, structures on the surfaces S1, S2, S3 should run at an angle to the offset direction, since otherwise it may be difficult or impossible to detect the offset of the images of the structures in the two recorded images.

Das Erfordernis der Erkennbarkeit kann es erforderlich machen, die Lage der transparenten Bereiche A1, A2 in der Pupillenebene 42 an die Orientierung der Strukturen auf der Oberfläche des Objekts 26 anzupassen.The requirement of recognizability may make it necessary to adapt the position of the transparent areas A1, A2 in the pupil plane 42 to the orientation of the structures on the surface of the object 26.

In vielen Fällen kann eine individuelle Anpassung vermieden werden, wenn nicht zwei, sondern vier Bilder des Objekts 26 aufgenommen werden. Bei den beiden zusätzlichen Bildern sind die Blendenöffnungen A1 und A2 in einer Weise angeordnet, wie sie durch Verdrehen der in den 5a und 5b gezeigten Anordnung um jeweils 90° erhalten werden. Die Abbilder der Oberflächen S1, S2, S3 des in den 6a und 6b gezeigten Objekts 26 würden dann bei diesen beiden zusätzlichen Bildern nicht wie in den 7a und 7b gezeigt entlang der x-Richtung, sondern entlang der y-Richtung versetzt.In many cases, individual adjustment can be avoided if not two, but four images of the object 26 are recorded. In the two additional images, the apertures A1 and A2 are arranged in a manner as can be seen by rotating the in the 5a and 5b shown arrangement can be obtained by 90 °. The images of the surfaces S1, S2, S3 in the 6a and 6b Object 26 shown would then not be the same as in these two additional images 7a and 7b shown along the x direction, but offset along the y direction.

4. Varianten und weitere Ausführungsbeispiele4. Variants and further exemplary embodiments

Die 8a und 8b zeigen in an die 4a und 4b angelehnten Darstellungen eine Variante, bei der die Blendenöffnungen A1 und A2, die für das erste bzw. für das zweite Bild gewählt werden, nicht zueinander punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse 52 sind. Stattdessen wird bei einem Bild eine rotationssymmetrische Blendenöffnung A1 verwendet, wie sie in der 9a illustriert ist. Die Strukturen auf dem Objekt 26 werden daher ohne lateralen Versatz, d h. zentriert zur optischen Achse 52, abgebildet.The 8a and 8b show in to the 4a and 4b Figures based on a variant in which the aperture openings A1 and A2, which are selected for the first and second images, are not point-symmetrical to one another with respect to the optical axis 52. Instead, a rotationally symmetrical aperture A1 is used in an image, as shown in the 9a is illustrated. The structures on the object 26 are therefore without lateral offset, i.e. centered on the optical axis 52, shown.

Das andere Bild wird mit einer Blende A2 aufgenommen, die bezüglich der optischen Achse 52 nicht punktsymmetrisch zur Blende A1 angeordnet ist, wie dies die 9b illustriert. Der Versatz von Strukturen gleicher Defokussierung auf den beiden Bildern beträgt bei dieser Variante jedoch nur d und nicht 2d, was sich nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirkt.The other image is recorded with an aperture A2, which is not arranged point-symmetrically to the aperture A1 with respect to the optical axis 52, as is the case 9b illustrated. In this variant, however, the offset of structures with the same defocusing on the two images is only d and not 2d, which has a disadvantageous effect on the measurement accuracy.

Die Messkamera 24 ermöglicht es, ein zusätzliches Messbild aufzunehmen, das mit einem größeren oder maximal großen transparenten Bereich A3 (Blendenöffnung) und entsprechend geringer Tiefenschärfe aufgenommen wird, wie dies die 5c und 9c illustrieren. Ein solches zusätzliches Messbild hat aufgrund der großen Blendenöffnung eine höhere Auflösung als die Bilder, die mit den in den 5a, 5b sowie 9a und 9b gezeigten Blendenöffnungen aufgenommen wurden. Auf einem solchen zusätzlichen Messbild können die lateralen Abmessungen der Strukturen auf dem Objekt 26' noch genauer erfasst werden. Zur Erzeugung des zusätzlichen Messbildes muss lediglich das LCD-Panel 44 entsprechend von der Recheneinheit 54 angesteuert werden. Die Reihenfolge, in der die Bilder aufgenommen werden, spielt keine Rolle.The measurement camera 24 makes it possible to record an additional measurement image, which is recorded with a larger or maximum large transparent area A3 (aperture) and a correspondingly shallow depth of field, as is the case 5c and 9c illustrate. Due to the large aperture opening, such an additional measurement image has a higher resolution than the images taken with the ones in the 5a , 5b and the aperture openings shown in FIGS. 9a and 9b were recorded. The lateral dimensions of the structures on the object 26' can be recorded even more precisely on such an additional measurement image. To generate the additional measurement image, only the LCD panel 44 needs to be controlled accordingly by the computing unit 54. The order in which the images are taken does not matter.

Aufgrund der geringeren Tiefenschärfe werden auf dem Messbild nur diejenigen Strukturen scharf abgebildet, die sich in der Objektebene O befinden. Auf der Grundlage des gemessenen Oberflächenprofils ist es jedoch möglich, Steuersignale für einen Verstellvorgang zu berechnen, mit dem der Abstand zwischen dem Objekt 26 und der Objektebene O so verändert wird, dass sich eine beliebige ausgewählte Ebene des Objekts 26 in der Objektebene O befindet. Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Verstellvorgang von dem auf die Pinole 20 wirkenden Antrieb 53 durchgeführt. Durch diese Autofokussierung können diejenigen Strukturen, die sich nach dem Verstellvorgang in der Objektebene O befinden, scharf abgebildet und mithilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen vermessen werden. Insbesondere ist es möglich, mehrere Messbilder hintereinander in unterschiedlichen Objektabständen aufzunehmen.Due to the smaller depth of field, only those structures that are located in the object plane O are shown sharply on the measurement image. However, based on the measured surface profile, it is possible to calculate control signals for an adjustment process with which the distance between the object 26 and the object plane O is changed so that any selected plane of the object 26 is in the object plane O. In the exemplary embodiments described so far, the adjustment process is carried out by the drive 53 acting on the quill 20. This autofocusing allows those structures that are in the object plane O after the adjustment process to be sharply imaged and measured using image processing algorithms. In particular, it is possible to record several measurement images one after the other at different object distances.

Die 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Messkamera 24 anstelle eines LCD-Panels 44 ein Mikrospiegelarray 44' enthält, das ebenfalls in der Pupillenebene 42 angeordnet ist. Zu diesem Zweck weist die Messkamera 24 einen zusätzlichen Umlenkspiegel 63 auf, so dass der Strahlengang durch Reflektion am Umlenkspiegel 63 und dem Mikrospiegelarray 44' zwei Mal um jeweils um 90° umgelenkt wird.The 10 shows an exemplary embodiment in which the measuring camera 24 contains a micromirror array 44 'instead of an LCD panel 44, which is also arranged in the pupil plane 42. For this purpose, the measuring camera 24 has an additional deflecting mirror 63, so that the beam path is deflected twice by 90 ° by reflection on the deflecting mirror 63 and the micromirror array 44 '.

Das Mikrospiegelarray 44' weist mehrere Mikrospiegel 64 auf, wobei jeder Mikrospiegel 64 eine aktive Stellung hat, in der auftreffendes Licht um 90° umgelenkt und dadurch in Richtung des Bildsensors 36 gerichtet wird. In einer inaktiven Stellung wird auftreffendes Licht um einen so großen Winkel abgelenkt, dass es nicht auf den Bildsensor 36, sondern auf einen Lichtabsorber 65 fällt. Durch gezieltes Verstellen der Mikrospiegel 64 lassen sich ähnlich wie mit dem LCD-Panel 44 die Blendenöffnungen (Bereiche A1, A2 und A3) in weiten Grenzen beliebig festlegen und innerhalb weniger Mikrosekunden verändern.The micromirror array 44' has a plurality of micromirrors 64, each micromirror 64 having an active position in which incident light is deflected by 90° and thereby directed in the direction of the image sensor 36. In an inactive position, incident light is deflected by such a large angle that it does not fall on the image sensor 36 but on a light absorber 65. By specifically adjusting the micromirrors 64, similar to the LCD panel 44, the aperture openings (areas A1, A2 and A3) can be set arbitrarily within wide limits and changed within a few microseconds.

Die 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem sich die Blendenöffnungen nicht variabel verändern lassen. Das zweite optische Teilsystem L2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch zwei Unterteilsysteme ersetzt, die durch kleinere Einzellinsen L21, L22 gleicher Brechkraft angedeutet sind. Die beiden Unterteilsysteme L21, L22 sind in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse 52 nebeneinander angeordnet und unterteilen den Strahlengang in zwei voneinander getrennte Teilstrahlengänge. Wie in der 12 mit gestrichelten Linien angedeutet ist, durchsetzt das Licht eines jeden Teilstrahlengangs nur einen außeraxialen Bereich A1 bzw. A2 in der Pupillenebene 42, wobei die Bereiche A1 und A2 punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse 52 angeordnet sind. Dadurch wird ein ähnlicher Effekt erzielt wie bei dem in den 4a und 4b gezeigten Ausführungsbeispiel. Auf dem Bildsensor 36 entstehen somit zwei Bilder, die bezüglich der jeweiligen optischen Achse der Unterteilsysteme L21, L22 in entgegengesetzte Richtungen um den Betrag d versetzt sind. Aus dem Versatz d lässt sich Defokussierung Δz berechnen.The 11 shows a further exemplary embodiment in which the aperture openings cannot be changed variably. In this exemplary embodiment, the second optical subsystem L2 is replaced by two subsystems, which are indicated by smaller individual lenses L21, L22 with the same refractive power. The two sub-systems L21, L22 are in a direction perpendicular to the optical axis 52 arranged next to each other and divide the beam path into two separate partial beam paths. Like in the 12 is indicated by dashed lines, the light of each partial beam path only passes through an off-axis region A1 or A2 in the pupil plane 42, the regions A1 and A2 being arranged point-symmetrically with respect to the optical axis 52. This creates a similar effect to that in the 4a and 4b shown embodiment. Two images are thus created on the image sensor 36, which are offset in opposite directions by the amount d with respect to the respective optical axis of the sub-system L21, L22. Defocusing Δz can be calculated from the offset d.

Vorteilhaft bei diesem Ausführungsbeispiel ist, dass die beiden Bilder gleichzeitig auf dem Bildsensor 36 entstehen, was zu einer weiteren Verkürzung der Messzeit führt. Dafür lassen sich bei diesem Ausführungsbeispiel die Blendenöffnungen nicht variabel festlegen und insbesondere nicht an die Orientierung von Strukturen auf dem Objekt 26 anpassen, wie dies bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeilen der Fall ist.The advantage of this exemplary embodiment is that the two images are created simultaneously on the image sensor 36, which leads to a further reduction in the measurement time. In this exemplary embodiment, the aperture openings cannot be set variably and in particular cannot be adapted to the orientation of structures on the object 26, as is the case with the previously described embodiments.

Um eine möglichst weitgehende Unabhängigkeit von den Strukturrichtungen auf dem Objekt zu erlangen, können anstelle von zwei Linsen L21, L22 auch vier oder mehr Linsen in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse 52 nebeneinander angeordnet werden. Vier Linsen können zum Beispiel so angeordnet sein, dass die Linsenmittelpunkte auf den Ecken eines gedachten Quadrats zum Liegen kommen.In order to achieve the greatest possible independence from the structural directions on the object, instead of two lenses L21, L22, four or more lenses can also be arranged next to one another in a direction perpendicular to the optical axis 52. For example, four lenses can be arranged so that the lens centers rest on the corners of an imaginary square.

Es versteht sich, dass anstelle von einzelnen Linsen L21, L22 auch komplexere optische Teilsysteme mit jeweils mehreren optischen Elementen eingesetzt werden können.It goes without saying that instead of individual lenses L21, L22, more complex optical subsystems, each with several optical elements, can also be used.

Ein zusätzliches Messbild mit weiter oder maximal geöffneter Blende lässt sich mit der in der 11 gezeigten Messkamera 24 allerdings nicht erzeugen.An additional measurement image with a wide or maximum aperture can be created using the one in the 11 However, the measuring camera 24 shown does not generate it.

Die 13 zeigt eine Variante des in der 11 gezeigten Aufbaus, bei der in der Nähe der Pupillenebene 42 - und damit zwischen dem ersten optischen Teilsystem L1 und den beiden Linsen L21, L22 des zweiten optischen Teilsystems - ein Strahlteiler 70 angeordnet ist. Der Strahlteiler 70 teilt den Strahlengang in einen zum Bildsensor 36 führenden ersten Strahlengang und einen zu einem weiteren Bildsensor 36' führenden zweiten Strahlengang auf. Der zweite Bildsensor 36' ist dafür vorgesehen, gleichzeitig mit den vom Bildsensor 36 aufgenommenen versetzten Bildern ein Messbild mit größerer numerischer Apertur aufzunehmen.The 13 shows a variant of the one in the 11 shown structure, in which a beam splitter 70 is arranged near the pupil plane 42 - and thus between the first optical subsystem L1 and the two lenses L21, L22 of the second optical subsystem. The beam splitter 70 divides the beam path into a first beam path leading to the image sensor 36 and a second beam path leading to a further image sensor 36 '. The second image sensor 36 'is intended to record a measurement image with a larger numerical aperture at the same time as the offset images recorded by the image sensor 36.

Claims (7)

Verfahren zur Messung eines Oberflächenprofils eines Objekts (26, 26'), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer Messkamera (24), die einen Bildsensor (36) und ein zumindest objektseitig telezentrisches Objektiv (38) aufweist, wobei das Objektiv (38) eine Objektebene (O), ein erstes optisches Teilsystem (L1), ein zweites optisches Teilsystem (L2; L21, L22), eine zwischen dem ersten optischen Teilsystem (L1) und dem zweiten optischen Teilsystem (L2; L21, L22) angeordnete Pupillenebene (42) und eine Bildebene (B) hat, in welcher der Bildsensor (36) angeordnet ist; b) Aufnehmen eines ersten Bildes von dem Objekt (26, 26'), wobei nur Licht zu dem ersten Bild beiträgt, das einen ersten Bereich (A1) der Pupillenebene (42) ausleuchtet; c) Aufnehmen eines zweiten Bildes von dem Objekt (26, 26') bei gleicher relativer Anordnung zwischen dem Objekt (26, 26') und der Messkamera (24), wobei nur Licht zu dem zweiten Bild beiträgt, das einen zweiten Bereich (A2) der Pupillenebene (42) ausleuchtet, der sich von dem ersten Bereich (A1) unterscheidet, und wobei mindestens einer der beiden Bereiche (A1, A2) nicht punktsymmetrisch bezüglich einer optischen Achse (52) des Objektivs (38) ist; d) Berechnen des Oberflächenprofils des Objekts (26, 26') bezüglich der optischen Achse (52) des Objektivs (38) aus einem lateralen Versatz zwischen Strukturen (S1, S2, S3) auf dem ersten Bild und entsprechenden Strukturen (S1, S2, S3) auf dem zweiten Bild, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Teilsystem zwei optische Elemente (L21, L22) aufweist, die in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse (52) des Objektivs (38) nebeneinander angeordnet sind und den Strahlengang in zwei voneinander getrennte Teilstrahlengänge unterteilen, und dass die Schritte b) und c) gleichzeitig durchgeführt werden.Method for measuring a surface profile of an object (26, 26'), the method comprising the following steps: a) providing a measuring camera (24) which has an image sensor (36) and a lens (38) which is telecentric at least on the object side, wherein the Lens (38) an object plane (O), a first optical subsystem (L1), a second optical subsystem (L2; L21, L22), one between the first optical subsystem (L1) and the second optical subsystem (L2; L21, L22 ) arranged pupil plane (42) and an image plane (B) in which the image sensor (36) is arranged; b) recording a first image of the object (26, 26'), with only light contributing to the first image that illuminates a first area (A1) of the pupil plane (42); c) recording a second image of the object (26, 26') with the same relative arrangement between the object (26, 26') and the measuring camera (24), with only light contributing to the second image, which has a second area (A2 ) illuminates the pupil plane (42), which differs from the first area (A1), and wherein at least one of the two areas (A1, A2) is not point-symmetrical with respect to an optical axis (52) of the objective (38); d) calculating the surface profile of the object (26, 26') with respect to the optical axis (52) of the objective (38) from a lateral offset between structures (S1, S2, S3) on the first image and corresponding structures (S1, S2, S3) on the second image, characterized in that the second optical subsystem has two optical elements (L21, L22) which are arranged next to each other in a direction perpendicular to the optical axis (52) of the objective (38) and the beam path in two separate partial beam paths, and that steps b) and c) are carried out simultaneously. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Bild und das zweite Bild einen sich überlappenden und insbesondere den gleichen Bildausschnitt haben.Procedure according to Claim 1 , whereby the first image and the second image have an overlapping and in particular the same image section. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem keiner der beiden Bereiche (A1, A2) punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse (52) ist, einer der beiden Bereiche (A1) aber bezüglich der optischen Achse (52) punktsymmetrisch zum jeweils anderen (A2) der beiden Bereiche ist.Procedure according to Claim 1 or 2 , in which neither of the two areas (A1, A2) is point-symmetrical with respect to the optical axis (52), but one of the two areas (A1) is point-symmetrical with respect to the optical axis (52) to the other (A2) of the two areas. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kamera aufweist: einen weiteren Bildsensor (36'), einen Strahlteiler (70), der zwischen dem ersten optischen Teilsystem (L1) und dem zweiten optischen Teilsystem (L2, L21, L22) angeordnet ist, wobei der Strahlteiler den Strahlengang in einen zum Bildsensor (36) führenden ersten Strahlengang und einen zum weiteren Bildsensor (36') führenden zweiten Strahlengang aufteilt.Procedure according to one of the Claims 1 until 3 , in which the camera has: another image sensor (36 '), a beam splitter (70) between the first optical subsystem (L1) and the second optical subsystem (L2, L21, L22), the beam splitter dividing the beam path into a first beam path leading to the image sensor (36) and a second beam path leading to the further image sensor (36 '). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden weiteren Schritte: e) Bestimmen eines Steuersignals für einen Verstellvorgang auf der Grundlage des in Schritt d) berechneten Oberflächenprofils, wobei durch den Verstellvorgang der Abstand zwischen dem Objekt (26, 26') und der Objektebene (O) so verändert wird, dass sich eine ausgewählte Ebene des Objekts (26, 26') in der Objektebene (O) befindet; f) Aufnehmen eines Messbildes mit Hilfe des Bildsensors (36; 36'), wobei zur Entstehung des Messbildes Licht beiträgt, das einen Bereich (A3) der Pupillenebene ausleuchtet, der größer ist als der erste Bereich (A1) und der zweite Bereich (A2).Method according to one of the preceding claims, comprising the following further steps: e) determining a control signal for an adjustment process based on the surface profile calculated in step d), the adjustment process changing the distance between the object (26, 26 ') and the object plane (O) so that a selected plane of the Object (26, 26 ') is located in the object plane (O); f) recording a measurement image with the aid of the image sensor (36; 36'), with light contributing to the creation of the measurement image, which illuminates an area (A3) of the pupil plane that is larger than the first area (A1) and the second area (A2 ). Messkamera (24) zur Messung eines Oberflächenprofils eines Objekts (26, 26'), wobei die Messkamera (24) aufweist: einen Bildsensor (36), ein zumindest objektseitig telezentrisches Objektiv (38), wobei das Objektiv (38) eine Objektebene (O), ein erstes optisches Teilsystem (L1), ein zweites optisches Teilsystem (L2; L21, L22), eine zwischen dem ersten optischen Teilsystem (L1) und dem zweiten optischen Teilsystem (L2; L21, L22) angeordnete Pupillenebene (42) und eine Bildebene (B) hat, in welcher der Bildsensor (36) angeordnet ist, eine Auswerteeinrichtung (54), die dazu eingerichtet ist, das Oberflächenprofil des Objekts bezüglich der optischen Achse (52) des Objektivs (38) aus einem lateralen Versatz (d) zwischen Strukturen auf einem ersten Bild und entsprechenden Strukturen auf einem zweiten Bild zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkamera ferner zwei optische Elemente (L21, L22) aufweist, die Teil des zweiten optischen Teilsystems und in einer Richtung senkrecht zu einer optischen Achse (52) des Objektivs (38) nebeneinander angeordnet sind und den Strahlengang in zwei voneinander getrennte Teilstrahlengänge unterteilen, und dass das erste Bild mit dem ersten Teilstrahlengang und das zweite Bild mit dem zweiten Teilstrahlengang aufgenommen werden.Measuring camera (24) for measuring a surface profile of an object (26, 26'), the measuring camera (24) having: an image sensor (36), a lens (38) which is telecentric at least on the object side, the lens (38) having an object plane (O ), a first optical subsystem (L1), a second optical subsystem (L2; L21, L22), a pupil plane (42) arranged between the first optical subsystem (L1) and the second optical subsystem (L2; L21, L22) and a Image plane (B), in which the image sensor (36) is arranged, has an evaluation device (54) which is set up to determine the surface profile of the object with respect to the optical axis (52) of the lens (38) from a lateral offset (d). to calculate between structures on a first image and corresponding structures on a second image, characterized in that the measuring camera further has two optical elements (L21, L22), which are part of the second optical subsystem and in a direction perpendicular to an optical axis (52 ) of the lens (38) are arranged next to each other and divide the beam path into two separate partial beam paths, and that the first image is recorded with the first partial beam path and the second image is recorded with the second partial beam path. Messkamera nach Anspruch 6, die ferner aufweist einen weiteren Bildsensor (36'), einen Strahlteiler (70), der zwischen dem ersten optischen Teilsystem (L1) und dem zweiten optischen Teilsystem (L2, L21, L22) angeordnet ist, wobei der Strahlteiler (70) den Strahlengang in einen zum Bildsensor (36) führenden ersten Strahlengang und einen zum weiteren Bildsensor (36') führenden zweiten Strahlengang aufteilt.measuring camera Claim 6 , which further has a further image sensor (36 '), a beam splitter (70) which is arranged between the first optical subsystem (L1) and the second optical subsystem (L2, L21, L22), the beam splitter (70) defining the beam path divided into a first beam path leading to the image sensor (36) and a second beam path leading to the further image sensor (36 ').
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